KR20090055293A - 트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법 - Google Patents

트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결선 절체시 발생하는 토크 왜곡 및 과전류를 방지할 수 있는 트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
본원의 제1 발명에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치는, 3상 유도 전동기로 구성된 트레드밀의 모터 구동 장치에 있어서, 와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 어느 하나의 제1 결선 구성을 가지는 결선부; 상기 트레드밀의 속도를 검출하는 속도 검출부; 상기 트레드밀의 부하를 감지하는 부하 감지부; 상기 결선부의 제1 결선 구성과 상기 속도 검출부에 의해 감지된 속도의 적합 여부를 판단하여, 부적합시 상기 부하 감지부의 부하 감지 결과에 따라 부하 최저 시점에서 상기 결선부의 결선 구성을 다른 어느 하나의 결선 구성으로 절체하기 위한 절체 신호를 상기 결선부에 공급하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법{DRIVING APPARATUS AND METHOD FOR MOTOR OF TREADMILL}
본 발명은 트레드밀의 모터에 관한 것으로, 특히 결선 절체시 발생하는 토크 왜곡 및 과전류를 방지할 수 있는 트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
AC 모터(교류 전동기)는 교류 전원에서 전력을 받아 회전하는 전동기로서, 고정자의 권선에 교류를 공급하여 발생하는 자장의 변화에 의해 회전자에 전류가 유도됨으로써 회전력이 발생한다. AC 모터는 크게 유도 전동기와 동기 전동기로 분류되며, 이 중 유도 전동기는 구조가 간단하고 튼튼하면서도 가격이 저렴하고 전원에 바로 연결할 수 있어 현재 가장 널리 이용되고 있다.
유도 전동기는 단상 유도 전동기와 3상 유도 전동기로 구분되는데, 3상 유도 전동기는 단상 유도 전동기에 비해 회전자계를 얻기 쉬우면서도 구조가 간단하며 효율이 높아 주로 용량이 큰 모터에 사용된다.
요즘, 널리 이용되고 있는 트레드밀(Treadmill)은 대부분 이러한 3상 유도 전동기를 사용하여 제조된다. 트레드밀은 벨트로 된 바닥을 모터로 회전시키고 벨트 위에서 걷거나 뛸 수 있는 장치로, 흔히 런닝 머신(Running Machine)이라고도 불리운다.
3상 유도 전동기는 와이(Y) 결선이나 델타(Δ) 결선을 이용하여 구동되는데, 트레드밀에 와이 결선을 이용한 3상 유도 전동기가 사용되는 경우, 델타 결선에 비해 기동 전류가 적게 소모되는 장점이 있다. 하지만, 와이 결선의 3상 유도 전동기는 델타 결선에 비해 기동 전류가 적게 소모되는 만큼 기동 토크(Torque) 또한 델타 결선에 비해 작다. 따라서, 와이 결선의 3상 유도 전동기를 사용한 종래 트레드밀의 모터는 고속으로 동작하는 경우 토크가 부족하게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 3상 유도 전동기를 이용하는 트레드밀 모터의 결선 방법을 와이 결선 구성과 델타 결선 구성을 병용하는 방식이 적용되었다. 이 방식에 따르면, 트레드밀의 속도가 낮은 경우에는 와이 결선 구성을 이용하고, 트레드밀의 속도가 높은 경우에는 델타 결선 구성을 이용한다. 하지만, 이 방식의 경우, 트레드밀에 가해지는 부하, 즉 사용자의 발디딤 등에 의해 트레드밀이 받는 힘이 가장 큰 시점에 결선 구성을 절체하게 되면 토크 왜곡 및 과전류가 발생하는 문제점이 있다.
도 1은 이러한 문제점을 설명하기 위한 도면으로, 종래기술에 따른 토크 및 출력 전류 파형도로서, 부하의 최고 시점에서 결선 구성의 절체가 이루어진 경우, 토크 및 출력 전류 파형을 나타내고 있다. 이때, 부하의 최고 시점은 토크의 최고점과 동일한 시점이다.
도 1을 참조하면, 부하의 최고 시점(A)에 결선 구성이 절체되는 경우, 토크 왜곡(B)과 과전류(C)가 발생하게 됨을 알 수 있다. 토크 왜곡(B)은 트레드밀을 사용하는 사용자의 승차감을 저하시키고, 과전류(C)는 차단기를 작동하게 하여 트레드밀의 동작을 급정지시키게 된다.
이와 같이 종래의 트레드밀에서는 결선 절체시 발생하는 토크 왜곡 및 과전류가 큰 문제점이 되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 결선 절체시 발생하는 토크 왜곡 및 과전류를 방지할 수 있는 트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본원의 제1 발명에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치는, 3상 유도 전동기로 구성된 트레드밀의 모터 구동 장치에 있어서, 와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 어느 하나의 제1 결선 구성을 가지는 결선부; 상기 트레드밀의 속도를 검출하는 속도 검출부; 상기 트레드밀의 부하를 감지하는 부하 감지부; 상기 결선부의 제1 결선 구성과 상기 속도 검출부에 의해 감지된 속도의 적합 여부를 판단하여, 부적합시 상기 부하 감지부의 부하 감지 결과에 따라 부하 최저 시점에서 상기 결선부의 결선 구성을 다른 어느 하나의 결선 구성으로 절체하기 위한 절체 신호를 상기 결선부에 공급하는 컨트롤러를 포함한다.
본원의 제2 발명에 따른 트레드밀의 모터 구동 방법은, 3상 유도 전동기로 구성되는 트레드밀의 모터 구동 방법에 있어서, 와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 어느 하나의 제1 결선 구성으로 상기 트레드밀 모터를 구동하는 제1 단계; 상기 트레드밀 모터의 속도를 검출하여, 상기 속도와 상기 제1 결선 구성의 적합 여부를 판단하는 제2 단계; 상기 트레드밀 모터의 부하를 감지하여, 상기 부하가 부하 최저 시점인지 판단하는 제3 단계; 상기 부하 감지 결과에 따른 부하 최저 시점에 상 기 제1 결선 구성으로 공급되는 인버터의 출력을 차단하는 제4 단계; 및 상기 제1 결선 구성을 상기 와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 다른 하나의 결선 구성으로 절체하는 제5 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제4단계와 상기 제5단계의 사이에 상기 트레드밀 모터의 V/F 패턴을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법에 따르면, 트레드밀의 속도와 함께 트레드밀의 부하를 감지하여 부하의 최저 시점에서 결선 구성을 절체하기 때문에 결선 구성 절체시 발생하는 토크 왜곡 및 과전류를 방지할 수 있어 트레드밀의 구동이 안정적이고 사용자의 승차감이 향상된다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 2 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치는 상용전원(210)을 인가받아 교류를 직류로 변환하는 컨버터(220), 직류를 교류로 변환하여 출력하는 인버터(230), 부하를 포함하는 결선부(240) 및 인버터(230)와 결선부의 절체를 제어하는 컨트롤러(250)를 포함한다.
결선부(240)는 인버터(230)의 출력단에 접속된 3상 라인(241a, 241b, 241c), 부하부(243), 결선 절체부(245), 3상 델타(Δ) 라인(247a, 247b, 247c) 및 3상 와이(Y) 라인(249a, 249b, 249c)을 포함한다.
도 3a는 본 발명에 따른 부하부(243)의 와이 결선도이고, 도 3b는 도 3a에 의한 와이 결선의 간략 도면이다.
도 3a를 참조하면, 결선 절체부(245)의 각 스위치가 3상 와이(Y) 라인(249a, 249b, 249c)에 접속된다. 일반적으로 와이 결선은 모터의 저속 구동에 사용되기 때문에, 트레드밀이 저속으로 구동되는 경우, 결선부(240)는 와이 결선 형태로 구성된다.
도 4a는 본 발명에 따른 부하부(243)의 델타 결선도이고, 도 4b는 도 4a에 의한 델타 결선의 간략 도면이다.
도 4a를 참조하면, 결선 절체부(245)의 각 스위치가 3상 델타(Δ) 라인(247a, 247b, 247c)에 접속된다. 일반적으로 델타 결선은 모터의 고속 구동에 사용되기 때문에, 트레드밀이 고속으로 구동되는 경우, 결선부(240)는 델타 결선 형태로 구성된다.
컨트롤러(250)는 속도검출센서 등을 포함하는 외부의 속도 검출부(260)에 의 해 검출된 트레드밀의 속도와, 인버터(230)로부터 출력되는 전류의 크기를 인가받고, 인버터(230)의 V/F 패턴을 조정하며, 결선 절제부(245)에 절체 신호를 공급한다.
즉, 컨트롤러(250)는 트레드밀의 속도에 따라 결선 절체를 실행할 수 있도록 한다. 한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 트레드밀의 속도는 트레드밀의 풀리에 엔코더를 설치하여 검출할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 트레드밀의 속도는 모터의 일측에 엔코더를 설치하여 검출할 수 있다.
또한, 트레드밀의 부하 감지는 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 부하 감지부로서 인버터(230)의 출력단에 CT(260)를 설치하여 인버터(230)의 출력 전류 크기를 검출함으로써 부하의 크기를 감지할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 부하 감지부로서 인버터의 하단 스위칭소자에 션트 저항을 설치하고 션트 저항의 양단 전압을 검출함으로써 부하의 크기를 감지할 수 있다.
이와 같은 방식으로 트레드밀의 부하, 즉 사용자의 발디딤 등에 의해 트레드밀에 가해지는 힘을 감지함으로써 부하가 작은 시점에 컨트롤러(250)는 결선 절체를 위한 절체 신호를 결선 절체부(245)에 제공한다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치는 트레드밀의 속도에 따라 와이 결선 또는 델타 결선 형태로 구성되기 때문에 토크를 효율적으로 발생시킴과 아울러 트레드밀의 부하가 가장 적은 시점에 결선 절체가 실행되도록 함으로써 결선 절체시 토크 왜곡과 과전류 발생을 방지할 수 있 다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 결선 절체 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 트레드밀의 모터는 제1 결선 구성으로 구동을 유지한다(S1). 이때, 제1 결선 구성은 트레드밀의 속도에 따라 와이 결선일 수도 있고, 델타 결선일 수도 있으며, 트레드밀이 기동되는 시점이라면 제1 결선 구성은 와이 결선이 된다. 와이 결선 또는 델타 결선을 사용하는 속도 범위는 다양하게 설정될 수 있으며, 낮은 속도에서 와이 결선을 사용하고, 와이 결선의 사용 속도 범위보다 높은 속도에서 델타 결선을 사용한다. 예를 들어, 기준 속도가 110Hz로 설정되어 있는 경우, 110Hz보다 낮거나 같은 속도에서는 와이 결선 방식을 이용하고, 110Hz보다 높은 속도에서는 델타 결선 방식을 이용한다.
운전 중에는 트레드밀의 속도가 감지되어, 트레드밀의 현재 속도가 현재 결선 구성에 적합한지의 여부를 판단한다(S2). 이때, 현재 속도와 결선 구성이 적합한 경우, 현재의 결선 구성을 유지한다(S1).
반면, 현재 속도와 현재 결선 구성이 적합하지 않으면, 트레드밀에 가해지는 부하를 감지하여 부하가 최저인지 판단한다(S3).
부하가 최저인 시점이면, 인버터의 출력을 차단하나(S4), 부하가 최저인 시점이 아니면, 제1 결선 구성을 유지한다(S1).
인버터의 출력을 차단하면, V/F 패턴을 조정한다(S5). 즉, 와이 결선에서 델타 결선으로 절체하는 경우, 내부 저항이 1/3로 감소하여 와이 결선시의 전압을 인가하면 전류가 3배 증가하게 되므로, 저항치 변동에 대응하도록 V/F 패턴을 조정한다. 역으로, 델타 결선에서 와이 결선으로 절체하는 경우, 내부 저항이 3배로 증가하여 델타 결선시의 전압을 인가하면 전류가 1/3로 감소하므로, 이 또한, 저항치 변동에 대응하도록 V/F 패턴을 조정한다.
V/F 패턴을 조정한 후, 컨트롤러가 결선 절체부에 절체 신호를 공급하여 제2 결선 구성으로 절체하고(S6), 인버터의 출력을 재개하며(S7), 절체된 결선 구성에 의해 트레드밀의 모터를 구동한다(S8).
한편, 부하가 최고인 시점, 즉 사용자가 트레드밀의 벨트에 발을 디딜 때 결선을 절체하면, 과전류가 발생하여 차단기에 의한 트립으로 트레드밀의 운전이 정지되거나 토크의 왜곡으로 인해 사용자의 승차감이 저하된다. 따라서, 부하를 측정하여 부하가 가장 작은 시점, 즉 피크 부하 시점에서 다음에 연속되는 피크 부하 시점 사이에 결선 절체를 실행한다.
결선 절체에 적합한 시점은 아래 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112007085821971-PAT00001
여기서, 1차 피크 부하 시점이란 결선 절체가 필요하다고 판단되는 속도에서의 부하 최고 시점을 의미하며, 2차 피크 부하 시점은 1차 피크 부하 시점 다음에 연속되는 부하 최고 시점을 의미한다.
도 6은 본 발명에 따른 결선 절체시 토크 및 출력 전류 파형도이다.
이때, 부하의 최고 시점은 토크의 최고점과 동일한 시점이다.
도 6과 같이 수학식 1을 통한 부하의 최저 시점(D)에 결선 구성이 절체되면, 절체 시점에서 종래의 도 1에 도시된 바와 같은 토크 왜곡(B)이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 순간적인 과전류(도 1의 C)로 인한 트립도 발생하지 않기 때문에, 트레드밀이 안정적으로 구동되고 승차감이 개선된다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치 및 방법에 따르면, 트레드밀의 속도에 적합한 결선 구성으로 변환이 가능하기 때문에 토크를 효율적으로 발생시킬 수 있어 효과적이며, 트레드밀의 부하를 감지하여 부하의 최저 시점에 결선을 절체하므로 종래에 결선 절체시 발생하였던 토크 왜곡이나 과전류가 방지됨으로써 트레드밀의 구동이 안정적임과 동시에 승차감이 향상된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 토크 및 출력 전류 파형도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 구동 장치 구성도,
도 3a는 본 발명에 따른 부하부의 와이 결선도,
도 3b는 도 3a에 의한 와이 결선의 간략도,
도 4a는 본 발명에 따른 부하부의 델타 결선도,
도 4b는 도 4a에 의한 델타 결선의 간략도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 트레드밀의 모터 결선 절체 흐름도, 및
도 6은 본 발명에 따른 결선 절체시 토크 및 출력 전류 파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
210 : 상용전원 220 : 컨버터
230 : 인버터 240 : 결선부
250 : 컨트롤러 260 : 부하 감지부(CT)
270 : 속도 검출부

Claims (9)

  1. 3상 유도 전동기로 구성된 트레드밀의 모터 구동 장치에 있어서,
    와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 어느 하나의 제1 결선 구성을 가지는 결선부;
    상기 트레드밀의 속도를 검출하는 속도 검출부;
    상기 트레드밀의 부하를 감지하는 부하 감지부;
    상기 결선부의 제1 결선 구성과 상기 속도 검출부에 의해 감지된 속도의 적합 여부를 판단하여, 부적합시 상기 부하 감지부의 부하 감지 결과에 따라 부하 최저 시점에서 상기 결선부의 결선 구성을 다른 어느 하나의 결선 구성으로 절체하기 위한 절체 신호를 상기 결선부에 공급하는 컨트롤러
    를 포함하는 트레드밀의 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 부하 최저 시점은 하기 수학식에 따른 결선 절체 시점인 것을 특징으로 하는 트레드밀의 모터 구동 장치.
    Figure 112007085821971-PAT00002
    여기서, 상기 1차 피크 부하 시점이란 결선 절체가 필요하다고 판단되는 속 도에서의 부하 최고 시점을 의미하며, 상기 2차 피크 부하 시점은 1차 피크 부하 시점 다음에 연속되는 부하 최고 시점을 의미함.
  3. 3상 유도 전동기로 구성되는 트레드밀의 모터 구동 방법에 있어서,
    와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 어느 하나의 제1 결선 구성으로 상기 트레드밀 모터를 구동하는 제1 단계;
    상기 트레드밀 모터의 속도를 검출하여, 상기 속도와 상기 제1 결선 구성의 적합 여부를 판단하는 제2 단계;
    상기 트레드밀 모터의 부하를 감지하여, 상기 부하가 부하 최저인지 판단하는 제3 단계;
    상기 부하 감지 결과에 따른 부하 최저 시점에 상기 제1 결선 구성으로 공급되는 인버터의 출력을 차단하는 제4 단계; 및
    상기 제1 결선 구성을 상기 와이 결선 구성 및 델타 결선 구성 중 다른 하나의 결선 구성으로 절체하는 제5 단계
    를 포함하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제4단계와 상기 제5단계의 사이에 상기 트레드밀 모터의 V/F 패턴을 조 정하는 단계를 더 포함하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 속도와 상기 제1 결선 구성이 적합하면 상기 제1 단계로 회귀하고,
    상기 속도와 상기 제1 결선 구성이 부적합하면 상기 제3 단계로 진행하는 것을 특징으로 하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 제3 단계에서,
    상기 부하가 최저 시점인 경우 상기 제4 단계로 진행하고,
    상기 부하가 최저 시점이 아닌 경우 상기 제1 단계로 회귀하는 것을 특징으로 하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 와이 결선 구성은 제1 속도 범위에서 이용되고,
    상기 델타 결선 구성은 상기 제1 속도 범위보다 높은 제2 속도 범위에서 이용되는 것을 특징으로 하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 부하 최저 시점은 하기 수학식에 따른 결선 절체 시점인 것을 특징으로 하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
    Figure 112007085821971-PAT00003
    여기서, 상기 1차 피크 부하 시점이란 결선 절체가 필요하다고 판단되는 속도에서의 부하 최고 시점을 의미하며, 상기 2차 피크 부하 시점은 1차 피크 부하 시점 다음에 연속되는 부하 최고 시점을 의미함.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 제5 단계 이후에 상기 제2 결선 구성으로 공급되는 상기 인버터의 출력을 재개하는 단계를 포함하는 트레드밀의 모터 구동 방법.
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